2022년 6월 27일 월요일

T 기술기고문

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항공우주 및 방산 애플리케이션을 위한 전력 관리 솔루션

글: 가비노 알론소(Gabino Alonso) Power by Linear 그룹 전략 마케팅 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)
 
머리말
안테나에서부터 디지털 영역에 이르는 아나로그디바이스(ADI)의 광범위한 솔루션 포트폴리오는 오늘날의 미션 크리티컬하고 견고한 첨단 항공, 우주 시스템과 방위산업용 플랫폼을 구현할 수 있게 해준다. 매우 높은 통합 수준을 나타내는 ADI의 부품 소자들과 고성능 신호 체인 솔루션은 시스템의 크기와 무게, 전력소모 요건들을 줄여준다. 고성능 신호 체인 디바이스의 최적화된 성능을 위해서는 상호 보완적인 저잡음 및 고효율 전력 관리 솔루션이 필요하다.
항공우주 및 방산용 전력 시스템을 위한 Power by Linear™ 제품은 내구성이 뛰어난 시스템의 성능과 신뢰성 표준을 만족하거나 훨씬 능가하도록 설계 및 개발되며 공장 시험을 거친다. 이들 제품은 뛰어난 전력 밀도, 고효율, 낮은 EMI 성능, 사용 편의성의 특성들을 결합하고 있다. ADI의 전력 제품 포트폴리오는 크게 전력 레귤레이션 및 전력 모니터와 제어, 보호의 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 이 글에서는 차세대 항공우주 및 방산 애플리케이션에 이상적인 몇 가지 고신뢰성 전력 관리 제품들을 살펴본다.

제품 공급
ADI 제품은 시간이 지날수록 진가가 드러난다. ADI Power by Linear 제품은 출시 후 수십 년 동안 구매가 가능하다. 부득이하게 단종을 해야 할 경우 JESD48A에 따라 제품 단종 발표를 고객에게 2년 전에 미리 통지한다. ADI는 레거시 제품을 매우 장기간 동안 공급함으로써 ADEF 시장의 특수한 요구 사항을 지속적으로 지원한다. 자세한 내용은 제품 수명 정보에서 확인할 수 있다.

100% 공장 시험
항공우주 및 방산용 전력 관리 솔루션은 혹독한 환경 조건에서도 신뢰성 있는 동작을 요구한다. ADI의 Power by Linear 제품군은 업계 최고의 품질과 신뢰성으로 ADEF 전력 관리 시장의 특정한 요구사항을 지속적으로 지원한다. LTLTCLTMLTP 글자가 앞에 붙은 제품들은 다양한 온도 등급으로 제공되며, 성능을 보장하기 위해 모두 상온에서 데이터시트의 전기적 특성 제한치까지 100% 시험을 거친다. 또한 가 표시된 데이터시트의 전기적 특성은 데이터시트의 전기적 특성 제한치까지 고온 및 저온에서 샘플 시험이 실시된다. 고장은 허용되지 않는다. 온도 등급에 대한 자세한 내용은 개별 데이터시트에서 확인할 수 있다.
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그림 1. 데이터시트의 전기적 특성 제한치까지 고온  저온에서 실시되는 샘플 시험
 
군용 등급인 MP는 군사 온도 범위에서 성능이 보장되는 COTS(commercial off-the-shelf) 솔루션이다. MP 등급 디바이스는 고온 및 저온에서 100% 시험이 실시되며 추가 검사, 엄격한 공정 내 제어, 조기 고장을 제거하기 위한 온도 사이클링 및 향상된 신뢰성 모니터링을 포함한다. 높은 동작온도 범위를 지원하는 자동차(H) 및 산업용(I)과 같은 다른 온도 등급을 고려하여 디바이스 옵션을 확장할 수 있다. analog.com 파라미터 테이블에서 파라미터 선택하기(Choose Parameters)’를 클릭하고 온도범위 코드(Temp Range Code)’ 옵션을 선택하여 이러한 온도 범위를 필터링한다.

표 1. 항공우주 및 방산용 전력 관리 제품의 온도 등급 
온도 등급 선택 데이터시트
온도 범위 성능*
상온 시험
(25°C)
저온 및 고온
시험 온도*
고온에서
샘플 시험
저온에서
샘플 시험
MP –55°C ~ +125°C
또는 +150°C
100% –55°C 및 +125°C
또는 +150°C
100% 100%
H –40°C ~ +125°C
또는 +150°C
100% –40°C 및 +125°C
또는 +150°C
100% 1000
로트당
I –40°C ~ +85°C 100% –40°C 및 +85°C 로트당 1000개 로트당 1000개
* 또는 데이터시트에 지정된 값
 
ADI는 우주용 인증 내방사선(RT) 전력 제품을 위한 다양한 선형 레귤레이터 및 스위칭 레귤레이터 솔루션을 제공한다. 이들 제품에 대한 자세한 내용은 우주 기술 솔루션 페이지에서 확인할 수 있다.
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그림 2. 전력 관리  슈트

설계 시간을 단축하는 강력한 소프트웨어 툴
ADI는 전력 시스템 및 회로 설계를 보다 쉽게 할 수 있도록 완벽한 전력 관리 툴을 제공한다. 시스템 레벨 파워 트리 설계에 LTpowerPlanner®를 사용하고, LTpowerCAD®로 시작하여 전원 설계를 위한 솔루션을 찾고 최적화한 다음, LTspice®를 사용하여 회로 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 복잡한 멀티 레일 시스템을 위한 궁극의 구성, 진단 및 디버그 툴을 찾는다면 LTpowerPlay®를 사용해 볼 것을 권장한다. 세계적인 수준의 전력 설계 툴을 무료로 다운받을 수 있다.

좁은 공간에서 고효율 전력을 위한 µModule 레귤레이터
µModule® 레귤레이터는 전례없는 완벽한 SiP(system-in-package) 전력 관리 솔루션이다. 패키지에는 컨트롤러 IC, 전력 트랜지스터, 커패시터, 보상 회로 및 인덕터가 포함되어 있다. 모든 제품은 최종 패키지 상태에서 데이터시트의 전기적 특성 제한치까지 시험된다. 향상된 열 성능과 솔루션 크기는 µModule 설계 철학에서 가장 중시되는 항목이며, 따라서 부피가 커지는 기계적 및 열적 완화 조치가 필요 없다. 고효율 및 낮은 EMI 설계는 인증을 간소화하고 설계 시간을 단축한다. µModule 제품군은 벅, 부스트, 벅-부스트, 절연 및 인버팅 레귤레이터를 포함하여 다양한 토폴로지를 지원한다.
많은 µModule 제품은 SnPb 마감 BGA 패키지로 제공되며 패키지 상단 마크(e0)로 구별된다. 또한 JEDEC 표준 J-STD-609를 준수한다. PCB 어셈블리에 대한 보다 자세한 BGA 제조 지침은 µModule 설계 및 제조 리소스 페이지에서 확인할 수 있다. 추가 제품군에서 SnPb 마감을 검색하려면 ADI 웹사이트의 파라미터 테이블에서 ‘단자 마감(Terminal Finish[PB])’를 추가하고 필터링하면 된다.

그림 3. LTM4700(BGA) 패키지와, 200LFM 공기흐름  히트싱크 없는 상태에서 100A, 12V에서 1V 스텝다운 했을 때의 열화상.
 
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그림 4. 6.2µA 무부하 전류의 듀얼 채널 4A, 42V, 동기식 스텝다운 사일런트 스위처 2 기술로 EMI 저감.

사일런트 스위처 스텝다운 레귤레이터로 EMI 저감
Power by Linear 포트폴리오 고유의 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 레귤레이터는 높은 스위칭 주파수에서 고효율을 제공하면서 극도로 낮은 EMI 방출을 유지함으로써 CISPR 25 Class 5 피크 EMI 제한을 쉽게 통과하며, 2MHz 스위칭 주파수에서 동작하고 95% 효율을 제공한다. 이처럼 성능 타협 없이 풍부한 기능을 제공하는 이 스위칭 레귤레이터는 5.5V ~ 65V의 최대 입력 전압 범위를 지원하고, 1.2A ~ 20A의 출력 전류를 제공하며, 200kHz에서 5MHz까지 프로그래밍 가능한 스위칭 주파수를 갖는다. 또한 2세대 사일런트 스위처 2는 내부 바이패스 커패시터와 통합 기판을 추가하여 EMI 성능을 더욱 향상시켰다. 통합된 부품은 낮은 EMI 설계가 PCB 설계에 민감하지 않도록 해 설계와 생산을 간소화하고 성능 리스크를 줄인다. 사일런트 스위처 µModule 스텝다운 레귤레이터는 인덕터를 통합하여 설계와 생산 리스크를 더욱 최소화한다.

초저잡음, 높은 PSRR, LDO 선형 레귤레이터
초저잡음, 초고 PSRR 저전압강하(LDO) 선형 레귤레이터는 정밀 센서, 고속 및 고분해능 데이터 컨버터, 주파수 합성기 및 기타 잡음에 민감한 디바이스에 잘 조절된 전력을 공급하는 중요한 부품이다. Power by Linear 포지티브 및 네거티브 LDO 레귤레이터 제품군은 매우 낮은 출력 잡음과 매우 높은 전원전압 변동 제거비(PSRR)를 갖는 제품을 갖추고 있다. LDO 레귤레이터는 1.8V ~ 20V(–20V ~ –1.8V)의 넓은 입력 전압 범위와 200mA ~ 500mA의 넓은 출력 전류 범위를 지원한다.
많은 Power by Linear LDO 레귤레이터는 손쉽게 병렬 연결함으로써 잡음을 더욱 줄이고 출력 전류를 증가시키며 PCB의 더 넓은 영역에 걸쳐 열을 분산시킬 수 있다. 이 밖에도 프로그래밍 가능한 전류 제한, 전력 양호 및 LDO 레귤레이터를 스위칭 레귤레이터와 함께 사용할 때 효율과 시스템 과도 응답을 극대화하는 VIOC 기능이 있다.

표 2. PSRR이 70dB 이상인 높은 PSRR LDO 레귤레이터
  LT3093 LT3094 LT3042 LT3045
조절된 전압 네거티브 네거티브 포지티브 포지티브
출력 전류 (mA) 200 500 200 500
출력 잡음(10Hz ~ 100kHz) (µV) 0.8 0.8 0.8 0.8
10kHz에서 스팟 잡음 (nV/√Hz) 2.2 2 2 2
1MHz에서 PSRR (dB) 73 74 79 76
프로그래밍 가능한 전류 제한
프로그래밍 가능한 파워굿 신호
VIOC 기능   -1 버전
병렬 연결 가능
빠른 스타트업 기능
ADI는 또한 견고한 고전압 PNP 선형 레귤레이터를 포함하여 광범위한 고성능 선형 레귤레이터 제품군을 제공한다.

서지 스토퍼: 과전압 및 과전류 보호
프런트엔드 보호는 예측할 수 없는 입력에 직면한 조밀하게 밀집된 시스템에서 특히 중요하다. Power by Linear 서지 스토퍼 보호 솔루션은 부피가 큰 수동 부품을 사용하지 않으면서 ISO 7637-2, ISO 16750-2, MIL-STD-1275, DO-160을 포함하여 군용 및 항공 전자기기 표준에 명시된 모든 서지 및 과도 상태 이벤트를 포괄한다. 이 때, 전력 공급을 보장하지 않고 높은 에너지를 접지에 션트할 때 영구적으로 손상될 수 있는 부피가 큰 수동 부품을 사용할 필요가 없다.
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그림 5. DC2150A-C 데모 회로를 사용한 MIL-STD-1275D 100V/500ms 서지 스토퍼 시험
 
Power by Linear 보호 솔루션은 MOSFET을 사용하여 최대 출력 전압을 사용자가 프로그래밍한 레벨로 클램핑함으로써 과도 상태에서 정밀한 라이드스루 동작이 가능해 연결을 해제하는 대신 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다. 서지 스토퍼는 또한 연장된 장애 시 출력을 분리하는 기능을 추가하여 프로그래밍 가능한 전류 제한 및 저전압 록아웃(UVLO)을 허용하며, 백-투-백 MOSFET을 사용할 경우 보통 역극성 배터리 보호를 제공한다.
고전압 과도 상태 및 오류 시 출력 전류 기능을 확장하고 전력 손실을 줄일 수 있도록, 스위칭 서지 스토퍼는 고효율 동작을 달성하면서 높은 신뢰성을 제공한다. 예를 들어 LTC4366 및 LT4363 고전압 스토퍼는 MIL-STD-1275D를 손쉽게 준수할 수 있다.
ADI는 또한 오류 시 연결 해제되는 제품을 포함하는 완벽한 과전압 및 과전류 보호 솔루션 라인을 제공한다.

결론
차세대 항공우주 및 방산 애플리케이션을 위한 Power by Linear 첨단 솔루션의 광범위한 포트폴리오는 장기적인 동작 수명과 혹독한 환경 표준을 만족하는 높은 신뢰성, 견고한 제품을 제공한다. ADI의 항공우주 및 방산 사이트를 방문하면 관련 제품과 기술 설계 정보를 쉽게 찾아볼 수 있다. 그 밖에 온라인 리소스에는 제품 데이터시트, 권장되는 향상된 제품(AQEC) 부품 목록, 애플리케이션 노트, 기술 문서, LTspice 데모 회로, 설계 툴 및 EngineerZone® 포럼 등이 포함된다. 현지 기술 지원 전문가들이 설계 콘셉트를 시장성 있는 견고한 솔루션으로 신속하게 옮길 수 있도록 도와준다.
뉴스레터를 신청하면 ADI의 최신 전력 제품 및 솔루션 정보를 받아볼 수 있다. analog.com/subscribe에서 Power by Linear 및 항공우주 및 방산 뉴스레터를 구독하면 된다.

저자 소개
가비노 알론소(Gabino Alonso)는 아나로그디바이스 Power by Linear 그룹의 전략적 마케팅 디렉터이다. ADI 입사 전에는 리니어테크놀로지, TI 및 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학에서 마케팅, 엔지니어링, 운영 및 교육 분야에서 다양한 직책을 맡았다. 산타바바라에 있는 캘리포니아대학에서 전기 및 컴퓨터 공학 석사학위를 받았다. 문의: gabino.alonso@analog.com